熱電偶傳感器的種類和特點(diǎn)/熱電偶傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，測量時(shí)不需要外加電源，直接將被測量轉(zhuǎn)換成電勢輸出。使用十分方便，常被用作測量爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。它的測溫范圍很廣：－270℃～2500℃。
它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。
§3-1-1 熱電偶的外形結(jié)構(gòu)、種類和特性
一、 常用熱電偶的外形：
接線盒
引出線套管
不銹鋼保護(hù)套管
固定螺紋
熱電偶工作端
圖3-1 各種普通裝配型熱電偶
圖3-2 各種鎧裝型熱電偶
圖3-3 各種防爆型熱電偶
二、熱電偶的結(jié)構(gòu)：（見圖3-4所示）
圖3-4 熱電偶的結(jié)構(gòu)
三、熱電偶的分類：
1．熱電偶的結(jié)構(gòu)分類：
（1）普通裝配式熱電偶：
一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等幾部分組成。
（2）鎧裝式熱電偶（纜式熱電偶）：
此種熱電偶是將熱電極、絕緣材料連同保護(hù)管一起拉制成型，經(jīng)焊接密封和裝配等工藝制成的堅(jiān)實(shí)的組合體。
2．熱電偶的種類：
（1）標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶：它具有互換性好、統(tǒng)一的分度表、配套的顯示儀表。
國際電工委員會在1975年推薦了七種標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶，表3-1是它們的基本特性。我國生產(chǎn)其中的前六種。
表3-1 常用熱電偶及其基本特性
|
熱電偶名稱
|
分度號
|
測溫范圍
|
特點(diǎn)
|
應(yīng)用
|
|
鉑銠30-鉑銠6
|
B
|
0~1700℃
|
測溫上限高，性能穩(wěn)定。
|
冶金等高溫領(lǐng)域，在（1200℃~1600℃）可用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用。
|
|
鉑銠10-鉑
|
S
|
0~1600℃
|
性能穩(wěn)定，抗氧化，準(zhǔn)確度高，輸出熱電勢小
|
適于氧化性、惰性氣體中工作，在（419.58℃~1084.88℃）用作標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用。
|
|
鎳鉻-鎳硅
|
K
|
-200~1200℃
|
測溫范圍寬，熱電勢大且近似為線性，價(jià)格便宜，
穩(wěn)定性較差，負(fù)極有導(dǎo)磁性
|
應(yīng)用*廣
|
|
鎳鉻-康銅
|
E
|
-200~900℃
|
熱電勢*大
|
適于氧化性、惰性氣體中工作
|
|
鐵-康銅
|
J
|
-200~750℃
|
價(jià)格便宜，熱電勢較大，極易氧化
|
|
|
銅-康銅
|
T
|
-200~400℃
|
精度高，在0~-200℃范圍內(nèi)，可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶
|
一般用于實(shí)驗(yàn)室和科研中進(jìn)行低溫測量
|
|
鉑銠30-鉑
|
R
|
同2
|
|
|
（2）非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶：
鉑銠系——性能穩(wěn)定、適用于各種高溫測量
銥銠系——熱電動(dòng)勢與溫度線性關(guān)系好，長期使用溫度2000℃以下
鎢錸系——可以使用到2800℃
§3-1-2 熱電偶工作原理
一、 熱電效應(yīng)（又稱溫差電效應(yīng)）：
將 兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同的溫度場 圖3-5 熱電偶回路
中，回路中產(chǎn)生一個(gè)方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)的電動(dòng)勢，這種效應(yīng)稱為“熱電效應(yīng)”。
二、幾個(gè)概念：
1．熱電偶：導(dǎo)體A、B組成的回路。
2．熱電極：兩種導(dǎo)體A、B。
3．熱電勢：閉合回路中的電勢。
4．測量端（工作端、熱端）：置于被測溫度（t）中。
5．參考端（自由端、冷端）：置于恒定溫度（t0）中。
三、熱電勢的組成：
由兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢兩部分組成。
1．接觸電動(dòng)勢：是兩種不同材料的導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，由于導(dǎo)體的自由電子密度不同，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率不一樣所造成的電位差。
2．溫差電動(dòng)勢：導(dǎo)體A、B，其兩端分別置于不同的溫度t、t0時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部，有較大動(dòng)能的熱端自由電子
向冷端移動(dòng)，從而在熱端和冷端間產(chǎn)生的電位差。
向冷端移動(dòng)，從而在熱端和冷端間產(chǎn)生的電位差。
§3-1-3 熱電偶的基本定律
一、 均質(zhì)導(dǎo)體定律：
如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電動(dòng)勢均為零。
應(yīng)用：由于兩相同的熱電極材料間無自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，總電動(dòng)勢為零。因此，可用于檢查熱電極成分是否相同。
二、中間導(dǎo)體定律：
在熱電偶A、B回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的電動(dòng)勢不變。
（3-1）
應(yīng)用：在回路中接入各種儀表，不影響回路的電動(dòng)勢。
三、標(biāo)準(zhǔn)電極定律：
如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢也就已知。
（3-2）
應(yīng)用：測得各種金屬與純鉑組成的熱電動(dòng)勢，則各種金屬相互組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢也可知了。
四、中間溫度定律：
熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電
動(dòng)勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和t、0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢
的代數(shù)和。
動(dòng)勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和t、0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢
的代數(shù)和。
（3-3）
應(yīng)用：為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。
§3-1-4熱電偶冷端溫度補(bǔ)償
一、為什么要對熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？
用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時(shí)，必須滿足t0=0°C的條件。在實(shí)際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0°C，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。為此必須采用一些措施進(jìn)行補(bǔ)償或者修正。
二、熱電偶冷端補(bǔ)償方法：
1．0℃恒溫法：
將熱電偶冷端置于0℃恒溫容器中，從而保證冷端溫度恒為0℃。這種方法精度較高，適用于實(shí)驗(yàn)室或精密測量中。
2．補(bǔ)償導(dǎo)線法：
熱電偶一般做得較短，約為350～2000mm。當(dāng)測溫儀表與測量點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，為節(jié)省熱電偶的材料，通常使用補(bǔ)償導(dǎo)線。
補(bǔ)償導(dǎo)線：由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬材料制成，在0~150℃范圍內(nèi)與配接的熱電偶具有一致的熱電特性，起著延長熱電偶冷端的作用。
1．計(jì)算修正法：
假設(shè)熱電偶冷端溫度為恒溫t0，被測溫度為t，由于冷端溫度t0不是0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值EAB(t,t0)加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，由分度表可查得EAB(t,0)與EAB(t0,0)。
根據(jù)中間溫度定律：EAB(t,0) =EAB(t,t0)+EAB(t0,0)
當(dāng)熱電偶輸出熱電勢E(t,t0)時(shí)，利用冷端溫度對應(yīng)熱電勢E(t0,0)修正后，就可以根據(jù)分度表得到被測溫度t了。
例題：用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢EAB（t，t0）為33.29mV，求加熱爐的溫度？
解：先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查得EAB（30，0）1.203mV。根據(jù)中間溫度定律可得：EAB（t，0）=EAB(t，t0)+EAB(t0，0)=33.29+1.203=34.493mV
再查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。
4．電橋補(bǔ)償法：
電橋補(bǔ)償法可以在冷端溫度無法恒定時(shí)對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。
補(bǔ)償電橋（冷端補(bǔ)償器）的作用：在冷端溫度變化時(shí)，提供一個(gè)與熱電偶冷端變化引起的熱電勢變化大小相等，但極性相反補(bǔ)償電勢，使得測量電路輸出熱電勢不隨冷端溫度變化。
5．儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法：
顯示儀表的機(jī)械零位預(yù)先調(diào)整到已知的冷端溫度值上。如補(bǔ)償器是按t0=20℃時(shí)電橋平衡設(shè)計(jì)的，則儀表機(jī)械零位應(yīng)調(diào)整到20℃處。
§3-1-5 熱電偶的測溫電路
一、測量一點(diǎn)溫度的幾種電路：
圖3-6 熱電偶測溫電路
(a)普通測溫線路；(b)帶有補(bǔ)償器的測溫線路；
二、測量兩點(diǎn)間的溫差：
兩個(gè)相同型號熱電偶并配有相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，如圖3-7連接，它們的電勢差就反映了熱電偶熱端的溫差。
公安機(jī)關(guān)備案號：
